Что интереснее всего: решать задачи про то, чего не можешь представить или представлять то, чего не можешь решить? Что интереснее в математике: решать задачи про движение или же про смеси растворов? Искать количество или процентное содержание?
Вложение | Размер |
---|---|
reshenie_zadach_na_smeshivanie_rastvorov_i_splavov.doc | 455.59 КБ |
prezentatsiya_k_pokazu_copy.ppt | 1.59 МБ |
Муниципальное образовательное учреждение
Школа N 7
Работа для Научного Сообщества Учащихся (НОУ)
Тема: «Решение задач на смешивание растворов и сплавов»
Выполнила:
Бурденёва Елизавета
Ученица 9 «А» класса
Научный руководитель:
Долгова Валентина Александровна
Нижний Новгород
2014 год
Содержание
Вступление……………………………………..3
Теоретическая часть………………………….....
Глава I……………………………………………
Общие сведения…………………………4
Старинный способ решения……………6
Решение задач методом стаканчиков…13
Алгебраический метод…………………18
Метод прямоугольников……………….22
Глава II……………………………………………
Сложные задачи. Сложный метод…….26
Заключение……………………………………28
Использованный ресурсы…………………… 30
Приложение…………………………………...31
«Решение задач на смешение растворов и процентное содержание вещества в растворе и сплаве»
Что интереснее всего: решать задачи про то, чего не можешь представить или представлять то, чего не можешь решить? Что интереснее в математике: решать задачи про движение или же про смеси растворов? Искать количество или процентное содержание? На самом деле, интерес к данным тематикам может быть вполне равным, но сегодня я хочу поговорить о втором типе задач, наиболее редко встречающемся, но крайне полезным в жизни. Вы спросите: «Где же в жизни нам могут понадобится задачи на сплавы и растворы? Разве не находят они применение только в химии или же бытовых экспериментах?» Я же могу сказать, что задачи на процентное содержание вещества в сплавах и растворах поджидают человека всегда: решаете ли вы сколько сахара положить в чай в соответствии с пропорцией обычной чашки или же пытаетесь определить стоимость кольца, содержание золота в котором менее 50%. Такие задачи, как выяснилось, не самые простые не только для понимания школьниками, но и для решения даже взрослыми, именно поэтому я хотела бы сегодня о них рассказать. Примечательно также, что такие задачи встречаются в ГИА и ЕГЭ, поэтому их решение очень полезно для учащихся. Как и у множества задач, применимых к жизни, данный тип имеет несколько нестандартных видов решения, которые я бы с удовольствием продемонстрировала на наглядных примерах, поэтому в этой работе я ставлю для себя следующие цели:
Надеюсь, моя работа покажется Вам интересной и во многом поможет в дальнейшем, поэтому, давайте приступим!
Глава I. Теория задач на процентное содержание
Прежде того, как изучать, непосредственно, саму теорию, я считаю нужным, пояснить, что же такое, собственно, задачи на процентное содержание вещества в растворе или сплаве.
Задачи на процентное содержание – задачи, в которых требуется выяснить содержание того или иного элемента. В такой задаче может быть задан вопрос, например, о концентрации какого-то вещества, после переливания жидкости или смешения еще одного металла в сплаве. Чаще всего, в такого типа задачах, речь идет о смещение именно двух металлов или же смешении воды и какого-то вещества, однако встречаются также и задачи на смешение трех и более элементов, но, спешу заверить, они встречаются гораздо реже, так как рассчитаны на достаточно высокий уровень знаний.
Также, хочу сказать, что эти задачи можно рассматривать с двух сторон: математической стороны и стороны химии. Мы будем рассматривать со стороны математической, однако даже в их решение принимаются допущения из химии.
В работе приведены решения нескольких задач, а также предложены задачи для самостоятельного решения. Для удобства к задачам прилагаются ответы.
Как и у многих математических задач, задачи на смешение растворов и сплавов имеют несколько способ решения. Но для начала, давайте вспомним теорию.
Составными частями данного типа задач являются:
Концентрация вещества - отношение количества растворённого вещества или его массы к объёму раствора (моль/л, г/л), то есть это отношение неоднородных величин. Концентрация – отношение объема чистого вещества к объему всего раствора.
Если раствор m и состоит из веществ A, B, C, массы которых соответственно mA, mB, mC, то величину mA/m( а также mB/m и mC/m) и называют концентрацией вещества в растворе.
Процентное содержание – величина, показывающая в процентах долю вещества. Похожа на концентрацию, только уже в процентах.
mA/m * 100% - процентное содержание вещества. (а также mB/m*100% и mC/m*100%).
Поскольку доли в растворе всегда должны быть равны единому веществу, то для любой задачи справедливо данное выражение:
(mA/m)+(mB/m)+(mC/m)=1
В таких задачах используют следующие допущения:
Старинный способ решения задачи(«Метод креста», также «Конверт Пирсона»)
Данный старинный способ решения задач на смешение растворов и сплавов был подробно описан в первом русском учебнике математики, написанном великим русским деятелем педагогики и математических наук Леонтием Филипповичем Магницким в его учебнике “Арифметика” 1703 года и до сих пор находит себе самое почетное место в современных учебниках алгебры.
Кстати, также необходимо отметить, что это самый распространенный тип решения задач на смешение растворов, гораздо более удобный чем табличное решение.
Обозначения:
a – первый раствор кислоты, которую надо смешать
b – второй раствор кислоты, который нужно смешать
c – раствор, который должен получиться
Допущения:
А < B, причем выполняется неравенство a < c < b.
Так как если принять, что c < a или c < b, то одна из частей получившегося раствора по объему будет больше всего раствора, что, естественно, не возможно.
Пусть требуется смешать растворы а-процентной и b-процентной кислоты, чтобы получить с-процентный раствор. Пусть а < b, причем a < c < b: если с < a или c > b, то с-процентный раствор, конечно получить нельзя. Пусть берется х частей первого раствора и у частей второго.
a+b = c, тогда преобразуем это в выражение:
(b – c)y = (c – a)x, из которого можно вывести следующее:
, тогда для решения подобных задач применима вот такая схема:
,
где с – желаемое, финальное число
а – масса или процентное содержание первого(обычно меньшего) раствора
в – масса или процентное содержание второго раствора (соответственно, большего).
Давайте теперь решим задачу, в соответствии со старинным методом.
Задача 1.
Определите, в какой пропорции нужно взять растворы соли 60% и 10% концентрации для приготовления раствора 25% концентрации.
Решение: для решения задачи необходимо построить схему, по аналогии с предыдущей.
Значит, для того чтобы из 60%-ого и 10%-ого растворов солей получить 25%-ный, соли нужно смешать кислоты в пропорции 35:15, то есть7:3.
Ответ: растворы солей должны быть взяты в пропорции 7:3.
Также в задаче может быть другой вопрос, например, может быть запрашиваема не только пропорция, а массы необходимых для реакции веществ. Тогда справедливой является такая схема:
где, m – масса необходимого количества первого вещества
n – масса необходимого второго вещества.
Тогда давайте решим еще одну задачу, в которой будет фигурировать не только пропорция и процентное содержание, но и массы веществ.
Задача 2.
Пресная вода содержит 0% соли, морская – 8%. Сколько кг пресной воды нужно добавить к 30 кг морской воды, для того, чтобы получить содержание соли в растворе 5%?
Решение:
Пусть масса пресной воды – x кг, которую необходимо добавить к морской. Составим схему:
Напомню, x – масса пресной воды в килограммах, а 30 кг – масса морской воды.
Значит, вещества должны быть смешаны в пропорции 3:5, а поскольку морской воды уже 30 кг, то пресную легко высчитать из уравнения 5x = 3*30, 5x=90, а x=18.
Ответ: необходимо добавить 18 кг пресной воды.
Такие же задачи можно решать и с большим количеством составляющих, хотя даже задача с 3 растворами уже вызывает большее затруднение, чем с двумя, поэтому я объясню какие принципиальные моменты нужны отложить в голове для решения задачи на сплавы и растворы с тремя составляющими методом Креста.
Итак, задача на смешение трех растворов.
Имеются три раствора с различным процентным содержанием в них какого-либо вещества, например, соли.
Раствор А с процентным содержанием соли в нем = a%
Раствор B с процентным содержанием соли = b%
И раствор С с процентным содержанием соли = c%.
Новый раствор, который необходимо получить, имеет процентное содержание k%.
При чем a
Теперь составим схемы для смешивания раствора А с растворов В и раствора А с раствором С.
Далее, проще всего решать эту задачу совмещая растворы, получившиеся обеих картинках. То есть, смешать раствор, полученный из первого и второго компонентов, и раствор, полученный из первого и третьего компонентов.
Для наглядности продолжим схему:
ответ, который мы можем получить из данной схемы таков: для того, чтобы получить раствор с концентрацией соли k%, необходимо смешать первый раствор в количестве (b-k)+(c-k) или же, что то же самое, b+c-2k, второй и третий растворы в количестве k-a каждый.
Теперь же давайте рассмотрим решение такой задачи на примере.
Задача
Некто имеет чай трёх сортов – цейлонский по 5 гривен за фунт, индийский по 8 гривен за фунт и китайский по 12 гривен за фунт. В каких долях надо смешать эти сорта, чтобы получить чай стоимостью 6 гривен за фунт?
Решение:
Составим таблицу, где в числах укажем количество фунтов за каждый сорт чая.
Ответ: необходимо взять 6 + 2 = 8 частей чая ценой 5 гривен за фунт и по одной части ценой 8 гривен и 12 гривен за один фунт.
Возьмем 8/10 фунта чая ценой по 5 гривен за фунт и по 1/10 фунта чая ценой 8 и 12 гривен за фунт, то получим 1 фунт чая ценною 8/10 * гривен + 1/10 * 8 гривен + 1/10 * 12 гривен = 6 гривен.
Вот так, приблизительно, решаются задачи на смешение растворов и сплавов методом Креста, или как его еще называют конвертом Пирсона, но все равно необходимо понимать, что для каждой задачи необходим свой особенный подход и этот метод, будучи самым распространенным, тем не менее, подходит не для всех задач.
Теперь я предлагаю рассмотреть менее формальный, но более наглядный метод. Хочу заметить, что им очень удобно пользоваться во время решения задач именно на сплавы.
Решение задач методом стаканчиков
Одним из интереснейших и наиболее наглядных и простых методов решения задач на сплавы и растворы является так называемый Метод стаканчиков.
Метод стаканчиков, по сути, является новым методом, поскольку был введен тогда, когда задачи по смешиванию растворов стали входить в обязательный курс математики, потому что когда эти задачи решались в химии, то использовались чаще методы Креста и таблицы, о которых я расскажу чуть позже.
Суть данного метода заключается в том, что условие задачи вписывается в три нарисованных стакана(первый и второй – смешиваемые вещества, третий – желаемое) , где сверху приписывается масса, данная в условии, чуть ниже – процентное содержание вещества, а внизу – общая масса, то есть произведение массы вещества и ее процентного содержания.
Теперь давайте попробуем решить задачу данной схемой.
Задача.
Вместе слили два раствора. Первый раствор, процентным содержанием 24%, имеет массу 30 граммов, а второй, процентным содержанием 12% - 75 граммов. Какой будет массовая доля серной кислоты?
Далее, решим задачу:
30г × 0,24+75 × 0,12= x г × 0,36
7,2 + 9 = 0,36 x г
0,36 x г = 16,2
x г = 16,2/ 0,36
x г = 45
Ответ: масса вещества, получившегося в ходу смешивания данных двух растворов равна 45 граммов.
Если же решать такую же задачу со сплавами, то данные заносятся в таком же практически порядке, но не в стаканчики, а в бруски.
По сути, решение задачи совершенно такое же, как и со стаканчиками, поэтому я продемонстрирую это на одном примере, а остальные задачи для практики этого метода вы можете найти уже в Приложении к работе.
Задача: Внимание! Задача из ГИА!
Имеются 2 сплава с разным содержанием золота. В первом сплаве содержится 30% золота, а его масса 10 г, во втором сплаве - 50% золота, а масса 15 г. В каком отношении надо взять первый и второй сплавы, чтобы получился из них новый сплав, содержащий 35% золота? Какова будет его масса?
Решение:
Составим схему:
Обозначим примеси в первом растворе – m, а во втором – n, тогда:
30 m + 50 n = 35(m + n)
30 m – 35 m = 35 n – 50 n
-5 m = -15 n
m = 3 n
Значит, для того, чтобы получить раствор с содержанием примесей 35%, нужно смешать два сплава в пропорции 1:3.
10 × 0,3 + 15 × 0,5 = 0,35 × x
3 + 7,5 = 0,35 x
0,35 x = 10, 5
x = 10,5 : 0,35
x = 30
Значит, масса полученного при смешение сплавов раствора равна 30 граммам. Задача решена.
Ответ: сплавы нужно взять в соотношении 1:3, а масса полученного раствора равняется 30 граммам.
Задача: Внимание! Задача из ГИА!
Первый сплав содержит 10% меди, второй — 40% меди. Масса второго сплава больше массы первого на 3 кг. Из этих двух сплавов получили третий сплав, содержащий 30% меди. Найдите массу третьего сплава. Ответ дайте в килограммах.
Решение:
Составим нам уже знакомую схему:
А теперь, для решения задачи, составим уравнение:
0,1 × X + 0,4 × (X+3) = 0,3 × (X+X+3)
0,1 X+ 0,4 X + 1,2 = 0,3 X +0,3 X + 0,9
0,5 X + 1,2 = 0,6 X + 0,9
0,5 X – 0,6 X = 0,9 – 1,2
-0,1 X = -0,3
X= -0,3 : (-0,1)
X = 3
Поскольку, масса третьего вещества задана формулой X+X+3, то его масса равна 3+3+3=9
Ответ: масса третьего вещества равна 9 кг.
Теперь, пора перейти к новому методу решения задач на смеси и сплавы – алгебраическому методу. Задачи для решения можно найти в Приложении.
Алгебраический метод
Следующий метод, по моему мнению, труднее чем предыдущие, потому что он не столь нагляден, хотя является довольно популярным и считается более классическим, чем метод стаканчиков.
Суть табличного метода в том, чтобы заносить условия задачи в таблицы. Общий упрощенный вид таблицы выглядит вот так:
Масса раствора | Масса вещества | % содержание вещества | |
Первый раствор | a | 0,01% × a | %a |
Второй раствор | b | 0,01 %× b | %b |
Полученный раствор | a+b | 0,01% ×(a+b) | %(a+b) |
Рассмотрим применение алгебраического метода на задаче.
Задача: Внимание! Задача из ГИА!
Имеется сметана двух сортов. Жирная содержит 20% жира, а нежирная содержит 5% жира. Определите процент жирности полученной сметаны, если смешали 2 кг жирной и 3 килограмма нежирной сметаны.
Решение:
Сметана | Масса жира | Масса сметаны | % жирности |
Жирная | 2 × 0,2 | 2 кг | 20% = 0,2 |
Нежирная | 3 × 0,05 | 3 кг | 5% = 0,05 |
Получившаяся | 5× 0,01 % Х | 2 кг + 3 кг = 5 кг | Х % = 0,01 % Х |
Составим уравнение:
2 × 0,2 + 3 × 0,05 = 5 × 0,01 Х
0,4 + 0,15 = 0,05 Х
0,05 Х = 0,55
Х = 0,55 : 0,05
Х = 11
Ответ: Жирность полученной сметаны равна 11%.
На первый взгляд, задачи данным способ решаются довольно таки, но необходимо помнить, что задачи подобного вида могут быть со смесью не только двух веществ, но и больше: трех, реже четырех. Поэтому, я хочу решить одну задачу, на смесь трех веществ, чтоб пояснить, как делать это, если вы случайно с ней столкнетесь.
Задача:
Значения процентного содержания (по объему) спирта в трех растворах образуют геометрическую прогрессию. Если смешать первый, второй и третий растворы в объемном отношении 2 : 3 : 4, то получится 32%-й раствор спирта. Если смешать их в объемном отношении
3 : 2 : 1, то получится раствор, содержащий 22% спирта. Сколько процентов спирта содержит каждый раствор?
Решение: Для решения данной задачи необходимо составить две таблицы в соответствии с двумя условиями:
Раствор | Объем раствора в л | содержание спирта % | Объем спирта в л |
Первый | 2 | X | 2X/100 |
Второй | 3 | Y | 3Y/100 |
Третий | 4 | Z | 4Z/100 |
Смешанный | 2+3+4=9 | 32%=0,32 | 9×0,32/100 |
2х/100 + 3y/100 + 4z/100 = 288/100,
2х + 3y + 4z = 288
До того, мы создали таблицу на условие, при котором вещества смешиваются в пропорции 2:3:4, а теперь, давайте сделаем ко второму условию, когда смешиваются в пропорции 3:2:1
Раствор | Объем раствора в л | Содержание спирта % | Объем спирта в л |
Первый | 3 | X | 3X/100 |
Второй | 2 | Y | 2Y/100 |
Третий | 1 | Z | Z/100 |
Смешанный | 3+2+1=6 | 22 | 6×22/100 |
3X/100+2Y/100+Z/100=132/100
3X+2Y+Z=132
А поскольку прогрессия геометрическая, то также верно данное утверждение:
Y2=XZ
При z1 = 48, x = 12, y = 24;
при z2 = 100, x = 64, y = –80, решение не имеет смысла.
Ответ: первый раствор содержит 12%, второй – 24%, а третий – 48%.
Я думаю, вы сами убедились, что такие задачи решаются труднее обыкновенных, но тем не менее, табличный метод сильно облегчает их решение. Позже я расскажу о другом способе решения сложных задач, а пока разберемся с еще одним методом решения простых задач на смешение.
Метод прямоугольников
Метод прямоугольников – второстепенный и гораздо менее известный метод. Он применяется довольно редко, да и не сильно облегчает задачу, но все же, я решила представить его, потому что выбор метода решения задачи всегда за решающим ее.
Метод заключается в том, что пропорции смешанных веществ записываются в прямоугольники. Вот так:
Заполняется она таким способом:
Задача: Имеется два сплава меди и свинца. Один сплав содержит 15% меди, а другой 65% меди. Сколько нужно взять каждого сплава, чтобы получилось 200г сплава, содержащего 30% меди?
Решение:
Составим схему:
Теперь составим систему уравнений по меди:
0,15x + (200-x) × 0,65 = 60
0,15 x + 130 – 0,65 x = 60
-0,5 x = 60 – 130
0,5 x = 70
x = 70 : 0,5
x = 140
y = 200 - 140 = 60
Ответ: нужно взять 140 г первого сплава и 60 второго.
Таким образом, я завершаю свое обсуждение методов решения простых задач на смешение сплавов и растворов. Мне кажется, что каждый из данных методов уникален и каждый может быть удобен в решении. И каждый из них находит свое применение. Например, метод с таблицами, т.е. алгебраический, применим по большей части в химии, а метод Креста и метод Стаканчиков – в алгебре. Разумеется, каждый выбирает свой метод. Однако, существуют такие задачи, которые сложнее решить с помощью этих методов. Они обычно не входят в стандартную школьную программу и редко появляются в ГИА, но я все таки представляю вам еще одну главу моей работы «Сложные задачи. Сложный метод».
Глава 2. Сложные задачи. Сложный метод.
Глава вторая полностью состоит из описания одного единственного метода. Этот метод применим только для решения задач, в которых смешение происходит между тремя, четырьмя, пятерыми растворами. Общий вид таких задач можно представить как сложную, многоуровневую блок схему, но с ней вы познакомитесь непосредственно вовремя решения задачи.
Давайте попробуем решить задачу, согласно этой схеме.
Задача:
Имеются три смеси (I–III), составленные из трех элементов А, В и С. В первую смесь входят только элементы А и В в массовом отношении 1 : 2, во вторую смесь входят только элементы В и С в массовом отношении 1 : 3, в третью смесь входят только элементы А и С в массовом отношении 2 : 1. В каком соотношении нужно взять эти смеси, чтобы во вновь полученной смеси элементы А, В и С содержались в массовом отношении 11 : 3 : 8?
Решение:
Составим схему:
В верхнем уровне запишем все три вещества и выразим их содержание через формулы:
I смесь = A + B A : B = 1 : 2
II смесь = B + C B : C = 1 : 3
III смесь = A + C A : C = 2 : 1
Обозначим все три вещества x, y, z кг соответственно.
По условию задачи в полученной смеси соотношение масс А : В : С = 11 : 3 : 8. Поэтому
Составим систему уравнений и решим ее:
Пусть = а, = b, тогда система примет вид:
Значит,
х : z = 1 : 5 = 3 : 15, х : у = 3 : 4,
поэтому
х : у : z = 3 : 4 : 15.
Ответ: Чтобы элементы А, В и С содержались в массовом отношении 11 : 3 : 8, смеси I, II, III надо взять в соотношении 3 : 4 : 15 по массе.
Заключение
Итак, теперь мы рассмотрели все методы решений задач на растворы и сплавы. Какие-то из них могут показаться легче, какие-то сложнее, но в целом их принцип очень похож. Все-таки в каждой задаче половину успеха решает правильно составленное условие, которое мы видели в совершенно разных вариациях, а остальное – умный человек. Мы видели множество различий между решениями, и я думаю, каждый уже выбрал для себя метод, который кажется ему привлекательным. Конечно, каждый из них с какой-то стороны силен, с какой-то имеет свои недочеты. И если нужен тонкий расчет, даже в самом обычном, бытовом деле как смешение сахара в чае или смешивание кондиционера и порошка для стирки, решение этого вопроса с помощью задачи – лучшее решение. И многие задачи в математике кажутся нам интересными, задачи на движение, задачи на количество и цену, экономические задачи, задачи на пропорции, а теперь еще и задачи на растворы и сплавы. С древних времен и до нашего времени простор для практики знаний и развития ума просто огромен, и с каждым годом наша научная база увеличивается, а казавшееся чем-то высшим и далеким от понимания становится простым и доступным любому образованному. Поэтому, именно поэтому мы должны, обязаны следовать желанию наших предков – исследовать, проводить исследования, складывать старые знания и находить множество многих. В этой работе я постаралась сложить воедино хоть крошечную частичку великой науки – математики, и открыть для себя и для других что-то новое, притягательное в практике ума и дать плоды новым задумкам и способам решения головоломок от простых до сложнейших. В следующем году, возможно, я продолжу исследование отраслей математической науки и надеюсь, что многие вещи с помощью таких работ обычных учеников станут проще и ближе к нам.
Я очень надеюсь, что моя работа не только ознакомила вас с методами решения задач, казавшихся до сих пор сложными, но и значительно упростила для вас понятие о задачах в целом и, что когда-то, возможно, вам пригодится решение таких задач и вы вспомните как это делать благодаря данной работе. Благодарю вас за внимание!
Список использованных ресурсов и литературы:
Книги и бумажные справочники:
Электронные ресурсы:
Приложение
Задачи для самостоятельного решения
Зимняя ночь. Как нарисовать зимний пейзаж гуашью
Простые новогодние шары из бумаги
Упрямый зяблик
Горячо - холодно
Астрономы наблюдают за появлением планеты-младенца